基于PLC的電梯群控系統設計與仿真*

雷高偉

1.廣東石油化工學院；2.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室

如今的電梯行業發展趨勢逐漸走向了智能化，既要給乘客提供舒適的心理和生理的乘坐體驗，也要給維修管理人員提供一個便于管理、監控的工作條件。基于S7-1200PLC控制器，同時結合仿真模型、WinCC監控界面于一體，采用以太網通訊方式設計電梯系統，并對其進行測試。測試結果顯示，該系統在乘客平均候梯時間、乘客平均乘梯時間、系統運行總距離、系統啟停次數等指標上均達到最佳效果。

1 電梯及系統組成結構

1.1 電梯概述

在日常酒店住宅中，往往使用多部電梯以提升乘坐效率，使用六部十層電梯模型進行仿真更能反映出極端情況時電梯控制邏輯的優劣。S7-1200是西門子推出的一款模塊化、緊湊型的新型中小規模的工業控制器，其特點恰好適合電梯安裝過程中需要克服的一系列環境問題[1]。電梯主要包括電梯外部設備和電梯內部設備。外部設備包括：轎廂、曳引電動機、引導輪、第一第二限位開關（上下端站均有）、上下平層傳感器（每層樓均有）、外呼按鈕以及指示燈（每個樓層均有）等。內部設備包括：樓層按鈕、樓層顯示、上下行指示燈、照明風扇等[2]。其中，轎廂內部還裝配有重量變送器，輸出模擬信號用于超載保護。

1.2 系統硬件組成

基于電梯仿真模型設備的特殊性，可選擇Profibus DP和Profinet工業以太網這兩種通訊方式。但以太網通訊相較于DP通訊有接線簡單、過程設備少、承載輸入輸出信息量多等優點，綜合考慮選擇以太網。在實際通訊中，通過交換機連接網線，實現了PC機裝載WinCC監控環境對PLC進行監控，必要時還可以進行簡單的控制，EET作為電梯仿真模型由PLC進行控制。

2 總體控制方案設計

電梯上電運行，首先執行初始化程序，初始化電梯啟動準備就緒后，會發出初始化準備就緒信號，電梯開始正常工作，進入等待外呼請求狀態[3]。如果接收到外呼請求信號，程序將進入請求信號樓層與本樓層的關系的運算；如果一個運行周期內沒有接收到外呼請求，則程序轉入判斷是否有內呼請求（由于在PLC內運行一周期的時間非常短，可看成內呼外呼程序并聯運行），如果接收到內呼請求，程序將進入請求信號樓層與本樓層的關系的運算，反之則繼續等待。通過請求信號樓層與本樓層關系運算后，會產生一個變量，該變量值的正負則會決定電梯上行或者下行。電梯選向確定后，曳引電機解除抱閘，開始進入加速運行狀態，向目標樓層運行。與此同時，轎廂通過裝在每層樓的上永磁平層感應器檢測樓層數（每層有上下兩個平層傳感器），發出信號進行對比。當發出的信號與目標樓層信號不相同，則說明電梯未到達指定樓層，電梯繼續運行。當發出的信號與目標樓層信號相同，則說明電梯到達指定樓層，電梯開始進入減速狀態。電梯減速同時也在檢測平層信號，當電梯接觸到下平層傳感器時，電梯進入制動狀態。電梯制動后，觸碰門鎖繼電器，電梯開門，開門完成后設置一定的時間保持開門狀態。在接客狀態下，電梯壓力傳感器會檢測重量，其信號轉換為模擬量轉入PLC，如果判定為超重，保持開門狀態，否則關門[4]。流程圖如圖1所示。

圖1 電梯運行總體流程圖Fig.1 Overall flow chart of elevator operation

3 電梯部分控制方案

3.1 初始化控制

電梯收到EET給出的自動運行信號時，電梯正常啟動，同時置位下行接觸器、低速接觸器，電梯為向下運行狀態。電梯下行過程中觸碰到下端站第一限位開關后，復位下行接觸器，同時置位上行接觸器、低速接觸器，電梯上行運行狀態。電梯上行過程中到達初始化樓層（可使用WinCC決定先上行還是先下行）并且同時接收到上下平層傳感器發出的信號，說明電梯到達指定樓層。電梯復位上行接觸器、低速接觸器，并置位輸出準備就緒的信號[5]。

3.2 制動控制

為了增加電梯制動的平順性，設計電梯制動為三級制動。電梯轎廂到達目標樓層后，當電梯上行時碰到下平層信號或下行碰到上平層信號時，發出制動信號，電梯從高速運行切換到低速運行一段時間。然后啟動一級制動并關閉低速接觸器運行一段時間后，啟動二級制動運行一段時間后，啟動三級制動抱閘停機。在電梯上（下）行制動過程中，當同時檢測到上下平層信號時，關閉上（下）行接觸器[6]。

3.3 轎廂上下行、開關門控制

當電梯轎廂接收到上行或下行有效請求信號時，首先進行自檢判斷，即保證轎廂門鎖信號、關門到位信號均存在（常開）且開門繼電器信號不存在（常閉）的情況下，根據電梯上下行指示，自鎖上行或下行接觸器，置位上下行指示燈，使曳引電機正轉反轉。當電梯到達最高層或最低層時，均自動改變電梯運行方向。電梯運行方向定義：當電梯方向標志向上時，定義方向此時為“1”，當電梯方向標志向下時，定義電梯方向此時為“2”。電梯同時接收到上下平層信號后開門，開門狀態一直持續到有開門到位信號，表示開門完成。開門完成后，計時器開始計時，保持開門到位狀態；若計時時間到了，且無任何人為和故障信號，電梯關門。當接收到有效的開門請求信號時，開門繼電器置位，電梯開門；開門狀態完成后，開始計時，保持開門到位狀態；若計時時間到了，且無任何信號，電梯關門。在關門動作執行期間，如果收到轎廂外本層樓的上下行信號或轎廂內開門信號，立即執行開門動作，計時器重新計時。當乘客在轎廂內時，如果電梯處于開門動作執行期間，無論何時，乘客按下關門按鈕，立即執行關門動作；當關門到位信號出現，表示關門完成，發出關門完成指示。為了保證電梯內乘客的生命安全，電梯配備有光幕傳感器和壓力傳感器，防止乘客在通過電梯門時被夾傷和電梯的超重運行。當乘客觸發到光幕信號時，電梯執行開門動作，開門到位后計時保持；當電梯超重時，電梯開門并一直保持開門狀態。

3.4 轎廂樓層登記

在電梯井中，每層樓都有一套上下平層傳感器，且上下平層傳感器信號默認為1。電梯初始化完畢后所在樓層數為X。當電梯上行時，首先觸碰下平層傳感器，下平層傳感器由1變0，產生下降沿，此時轎廂所在樓層數X加1；當電梯下行時，首先觸碰上平層傳感器，上平層傳感器由1變0，產生下降沿，此時轎廂所在樓層數X減1。為了防止出錯，上行時，離開一層，數字定義為二，離開二層，數字定義為三，以類推；下行時，離開六層，數字定義為五，離開五層數字定義為四，依次類推。

3.5 電梯群控過程

針對乘客平均候梯時間、乘客平均乘梯時間、系統運行總距離、系統啟停次數4個指標，最大的困難在于乘客出現的隨機性。電梯模型仿真軟件EET模擬了30分鐘內不同樓層不同人數（上限為400人）頻繁使用電梯的情況。這種復雜情況導致了電梯群控必然是一個多輸入端的優化系統。電梯群控主要是應對當接收到來自不同樓層的外呼請求時，該如何分配電梯去響應的情況。在這里將外呼請求分成6個區域，1層至3層上呼為一區，4層至7層上呼為二區，8層至9層上呼為三區，8層至10層下呼為四區，4層至7層下呼為五區，2層至3層下呼為六區。當有外呼請求時，首先可以將這些外呼請求劃分在某個區，然后依據每個區的請求狀況去決定分配哪幾部電梯去響應。當電梯響應被分配區域的請求且被分配區域上（下）請求數為0時，重新將電梯被分配區域中間變量數設為10，這時電梯就從一區開始尋找可以被分配的區域，若電梯上下行接觸器有運行，則從電梯所在的區域開始尋找。判斷電梯是否被分配到某一區域的條件有三個：（1）此區域沒電梯但有請求個數；（2）響應此區域的電梯后方在此區域有請求；（3）此區域請求個數大于被分配的電梯個數，即請求個數比較多。

當條件滿足時，電梯被分配區域中間變量值為被分配的區域值，并把電梯的狀態置為響應途中。在開始響應被分配區域的信號時，電梯的狀態就會置為正在響應，只要在此區域遇到信號就會去響應，當響應完被分配區域的信號時，電梯的狀態就會置為響應完成，此后，電梯只響應內呼，在碰到與內呼同層且與電梯同方向的信號也會響應并消除其按鈕指示燈。當將所有內呼信號響應完成后，電梯又開始重新尋找可被分配的區域。通過在仿真模型上測試，測試結果如表1所示。

表1 測試結果Tab.1 Test result

4 結語

組態調試完成后，在工控機上運行工程文件進行跑分，設置人數為400人，運行時間為30分鐘。由跑分結果可看出，乘客候梯時間和乘梯時間都比較短，適應于人們現在的快節奏生活，符合當前智能電梯的設計原則。為了更進一步減低能耗，在后續設計了更為細致地控制了轎廂內的風扇照明系統，當電梯空載且無被分配區域請求時，電梯空閑待載時間超過15秒后，關閉電梯照明指示、電梯風扇指示、讓電梯進入待機模式，減少能耗損失，通過電能控制電梯，實現了節能環保的效果，當電梯有請求時，重新啟動風扇和照明，電梯重新正常工作。綜上，此電梯設計方案實現了在最短時間內搭載了最多的乘客，也大大減低了能耗，達到了中等偏上的性能要求，實現了電梯智能化、綠色化、可視化的控制準則。